JPWO2018190134A1 - 円すいころ軸受 - Google Patents

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Abstract

円すいころ軸受(10)では、内輪(11)の片側端部若しくは両端部に鍔部(11b、11c)が設けられ、ころ(13)の転動面(13a)と内輪(11)の軌道面(11a)のいずれにもクラウニングが形成され、また、少なくとも母線方向の有効接触長さ(Le)の片側端部において、内輪(11)の軌道面(11a)におけるクラウニング落ち量は、ころ(13)の転動面(13a)におけるクラウニング落ち量よりも小さい。

Description

本発明は、円すいころ軸受に関し、特に、減速機、建設機械、鉄鋼、自動車等に利用される円すいころ軸受に関する。
従来、ころ軸受において、接触部の軸方向両端部で、過大接触面圧、所謂エッジロードの発生を抑制するため、ころの転動面又は軌道輪の軌道面にクラウニングを施す事が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
クラウニングとしては、母線方向の有効接触長さLeに対して、接触部の軸方向中央部から両端部にかけて過大接触面圧、所謂エッジロードの発生をしない対数クラウニングとすることで長寿命とできることが知られている。
一方、対数クラウニングは、単一円弧クラウニングと共に示した図10から明らかなように、中央から端部に向かうまでは緩やかに落ち量が増加しているが、端部に近づくと急激に落ち量が大きくなる。このため、対数クラウニングをころや軌道輪に施す事は製作が困難である。このため、特許文献1では、ころに円弧組合せのクラウニングを施す事によって、対数クラウニングに近い形状を与えている。
また、特許文献1では、ころと内輪のクラウニング落ち量の和σが、任意の2点(有効接触長さLeの0.425×Leと0.5×Leの2点)で、任意のクラウニング式(動定格荷重Cの荷重範囲0.4×C〜0.6×Cの式)の範囲内を満足するように設計し、対数クラウニングに近づけることが記載されている。
さらに、実際に内輪のクラウニングを施すには、まず、研削によりクラウニング形状を加工し、次に、所望の表面粗さ(軸受寿命に影響する)を得るために、仕上げ砥石を用いて加工する。したがって、内輪の砥石による仕上げ加工は、内輪軌道面に水平に砥石を移動させ、クラウニングに砥石をなじませながら、所望の表面粗さになるようにSF加工(仕上げ加工)する。なお、形状によってはSF加工で狙いの形状に仕上げる場合もある。
しかしながら、円すいころ軸受や円筒ころ軸受では、内輪の軌道面の軸方向外側には、鍔部が設けられているため、内輪の軌道面に対数クラウニングを加工するには、砥石による仕上げ加工を行う際、軌道面の端部で所望の表面粗さを得られにくい。また、所望の表面粗さを得る為には、砥石がなじむまで長時間かかりサイクルタイムが増加したり、砥石が鍔部に接触してしまったり、或いは、特許文献2に記載のような複雑な機構を追加する必要がある。
日本国特開2001−65574号公報 日本国特開2010−17788号公報
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、設備改造やサイクルタイムの増加によるコストアップを抑え、ころの転動面及び内輪の軌道面を容易に仕上げ加工可能な円すいころ軸受を提供することにある。
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
(1) 内輪及び外輪と、前記内輪及び前記外輪の軌道面間に転動自在に配置されるころと、を備え、前記内輪の片側端部若しくは両端部に鍔部が設けられ、前記ころの転動面と前記内輪の軌道面のいずれにもクラウニングが形成され、
少なくとも前記ころの転動面と前記内輪の軌道面の母線方向の有効接触長さLeの片側端部において、前記内輪の軌道面におけるクラウニング落ち量は、前記ころの転動面におけるクラウニング落ち量よりも小さいことを特徴とする円すいころ軸受。
(2) 前記ころの転動面と前記内輪の軌道面の母線方向の有効接触長さLeの範囲内のうち、それぞれの前記母線方向の少なくとも2箇所において、前記ころの転動面と前記内輪の軌道面のクラウニングの総和が下記式(i)の対数クラウニングとなることを特徴とする(1)に記載の円すいころ軸受。
Figure 2018190134

但し、
δ:接触二物体(ころと内輪軌道面)の、母線方向位置Xにおけるクラウニング落ち量の総和
w:接触荷重
Le:母線方向の有効接触長さ
E1,E2:接触二物体(ころと内輪)のヤング率
ν1,ν2:接触二物体(ころと内輪)のポアッソン比
b:ヘルツ接触幅の1/2
(3) 前記ころ、前記内輪、及び前記外輪の少なくとも1つのクラウニングの中央部は、直線形状であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の円すいころ軸受。
(4) 前記外輪の軌道面におけるクラウニング落ち量は、前記内輪の軌道面におけるクラウニング落ち量よりも小さいことを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の円すいころ軸受。
ここで、本発明の「有効接触長さLe」とは、ころの転動面と内輪の軌道面とが実際に接触する領域の長さのことである。具体的な有効接触長さLeの規定の仕方については、実施の形態の部分で後述する。
本発明の円すいころ軸受によれば、内輪の片側端部若しくは両端部に鍔部が設けられ、ころの転動面と内輪の軌道面のいずれにもクラウニングが形成され、少なくとも母線方向の有効接触長さLeの片側端部において、内輪の軌道面におけるクラウニング落ち量は、ころの転動面におけるクラウニング落ち量よりも小さい。これにより、鍔部があることで軌道面の端部に砥石を寄せることができない内輪のクラウニング落ち量を、ころのクラウニング落ち量より小さくすることで、設備改造やサイクルタイムの増加によるコストアップを抑え、ころの転動面及び内輪の軌道面を容易に仕上げ加工可能である。
本発明の第1実施形態に係る円すいころ軸受の断面図である。 図1に示す円すいころ軸受の側面図である。 (a)〜(f)は、有効接触長さLeの規定について説明する、図1のIII部模式図である。 ころクラウニングと内輪クラウニングによるX座標位置での落ち量を示すグラフである。 (a)は、内輪の軌道面の砥石での仕上げ加工を説明するための模式図であり、(b)は、落ち量が小さい場合の例を示す(a)のV部模式図であり、(c)は、落ち量が大きい場合の例を示す(a)のV部模式図であり、(d)は、鍔部に砥石を寄せすぎた場合の例を示す(a)のV部模式図である。 (a)は、ころの転動面の砥石での仕上げ加工を説明するための模式図であり、(b)は、落ち量が小さい場合の例を示す(a)のVI部模式図であり、(c)は、落ち量が大きい場合の例を示す(a)のVI部模式図であり、(d)は、鍔部に砥石を寄せすぎた場合の例を示す(a)のVI部模式図である。 本発明の第2実施形態の円すいころ軸受に係るころクラウニングと内輪クラウニングによるX座標位置での落ち量を示すグラフである。 変形例に係る円すいころ軸受の断面図である。 本発明の他の変形例に係る円筒ころ軸受の断面図である。 対数クラウニングと単一円弧クラウニングのX座標位置での落ち量を示すグラフである。
以下、本発明の各実施形態に係る円すいころ軸受を図面に基づいて詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1及び図2に示すように、本実施形態の円すいころ軸受10は、外周面に内輪軌道面11aが設けられた内輪11と、内周面に外輪軌道面12aが設けられた外輪12と、内輪軌道面11aおよび外輪軌道面12a間に配置された転動体である複数の円すいころ13(以下、単に「ころ13」とも称す。)と、複数のころ13を円周方向に所定の間隔で保持する保持器14と、を備えている。
内輪11は、内輪軌道面11aに対して小径側軸方向端部および大径側軸方向端部に、鍔部である小径鍔部11b及び大径鍔部11cを備えている。
さらに、本実施形態では、エッジロードの発生を抑制するため、ころ13の転動面13aと内輪11の内輪軌道面11aのいずれにもクラウニングを形成し、円すいころ13の転動面13aと内輪11の軌道面の母線方向の有効接触長さLeの範囲内のうち、母線方向の少なくとも2箇所において、クラウニングの総和が下記式(i)の対数クラウニングとなるように設定されている。
Figure 2018190134
但し、
δ:接触二物体(ころと内輪軌道面)の、母線方向位置Xにおけるクラウニング落ち量の総和
w:接触荷重
Le:母線方向の有効接触長さ
E1,E2:接触二物体(ころと内輪)のヤング率
ν1,ν2:接触二物体(ころと内輪)のポアッソン比
b:ヘルツ接触幅の1/2
ここで、有効接触長さLeは、ころ13の転動面13aと内輪11の軌道面11aにおいて実際に接触できる領域の長さのことである。具体的には、ころ13の転動面13aと内輪11の軌道面11aの長さの違いや、軸方向両側のころ13の面取り13bや内輪の逃げ溝11dの大きさの違いによって、例えば、以下の図3(a)〜図3(f)に模式的に示すような状態が存在する。
図3(a)は、ころ13の転動面13aと内輪11の軌道面11aの長さが同じ場合を示し、この場合、有効接触長さLeは、ころ13の転動面13a、又は内輪11の軌道面11aの長さとなる。
図3(b)は、ころ13の転動面13aの長さが内輪11の軌道面11aの長さより長く、ころ13の軌道面13aが内輪11の軌道面11aの両端部よりも軸方向両側に延出している場合を示す。この場合、有効接触長さLeは、ころ13の転動面13aとなる。
図3(c)は、ころ13の転動面13aの長さが内輪11の軌道面11aの長さより長く、軸方向一端側で内輪11の軌道面11aが延出し、軸方向他端側でころ13の軌道面13aが延出する場合を示す。この場合、有効接触長さLeは、ころ13の転動面13aの長さと内輪11の軌道面11aの長さの軸方向における重複部分となる。
図3(d)は、ころ13の転動面13aが内輪11の軌道面11aの長さより長く、軸方向一端側でころ13の軌道面13aが延出し、軸方向他端側で内輪11の軌道面11aが延出する場合を示す。この場合、有効接触長さLeは、ころ13の転動面13aの長さと内輪11の軌道面11aの長さの軸方向における重複部分となる。
図3(e)は、内輪11の軌道面11aの長さがころ13の転動面13aの長さより長い場合を示し、内輪11の軌道面11aがころ13の軌道面13aの両端部よりも軸方向両側に延出している場合を示す。この場合、有効接触長さLeは、ころ13の転動面13aとなる。
図3(f)は、内輪11の軌道面11aの長さがころ13の転動面13aの長さより長く、軸方向一端側で内輪11の軌道面11aが延出し、軸方向他端側でころ13の軌道面13aが延出する場合を示す。この場合、有効接触長さLeは、ころ13の転動面13aの長さと内輪11の軌道面11aの長さの軸方向における重複部分となる。
なお、図3では、円すいころ13の転動面13aと内輪11の軌道面11aにおけるクラウニング形状が図示省略されている。
ただし、ころ13の転動面13aにおけるクラウニング形状の中央位置と、内輪11の軌道面11aにおけるクラウニング形状の中央位置とは一致している。クラウニング形状の中央位置は、転動面13aまたは軌道面11aを基準とした任意の位置に設定される。従って、有効接触長さLeの中央位置と、クラウニング形状の中央位置(図4のX=0の位置)とは必ずしも一致しない。
そして、本実施形態では、以下の理由から、母線方向の有効接触長さLeの両側端部において、内輪11の軌道面11aにおけるクラウニング落ち量が、ころ13の転動面13aにおけるクラウニング落ち量よりも小さくなるように設計されている。
具体的には、図4に示すように、内輪11の軌道面11aを単一円弧クラウニングとし、ころ13の転動面13aを、式(i)で与えられる対数クラウニングの総和δから上記単一円弧クラウニングの落ち量Bを引いた落ち量Cのクラウニング形状としている。即ち、内輪11の軌道面11aに施されるクラウニングの円弧形状は、有効接触長さLeの軸方向中間部での両軌道面11a、13aの落ち量を0としたとき、有効接触長さLeの両側端部での落ち量Bがころ13の軌道面13aの落ち量Cよりも小さくなるようにして設計される。
以下、内輪軌道面11a又は転動面13aの端部での落ち量の違いによる、仕上げ加工時の砥石100のなじませ時間の違いを、内輪11ところ13それぞれについて、図5及び図6を参照して説明する。
図5(a)に示すように、内輪11の砥石100による仕上げ加工は、内輪軌道面11aに対して水平に(母線方向に沿って)砥石100を移動させ、クラウニング形状に砥石100をなじませながら、所望の表面粗さを与えるように行われる。
その際、図5(c)に示すように、落ち量が大きい場合には、図5(b)に示す落ち量が小さい場合に比べて、内輪軌道面11aの端部と砥石100との距離L1が離れているので、砥石100が磨耗して該端部に砥石100が接触するまでの時間(なじませ時間)が必要となり、サイクルタイムが増加する。なお、図中、符号11dは、内輪軌道面11aと鍔部11bとの間の逃げ溝を模式的に表している。
サイクルタイムを抑えるために、できるだけ鍔部11bと砥石100との距離を小さくしたいが、図5(d)に示すように、砥石100を鍔部11bに寄せすぎた場合には、砥石100が鍔部11bに接触してしまう。このため、内輪11の仕上げ加工においては、砥石100の管理が重要であり、加工コストを考えた場合には、落ち量が小さい方がよい。
また、図6(a)に示すように、ころ13の砥石100による仕上げ加工も、転動面13aに対して水平に(母線方向に沿って)砥石100を移動させ、クラウニングに砥石100をなじませながら、所望の表面粗さを与えるように行われる。
ころ13の仕上げ加工の場合、内輪11とは異なり鍔部がないので、図6(c)に示すように、転動面13aの端部と砥石100との距離L2が短くなるように、砥石100をころ13の端部に寄せる事ができ、図5(c)に示す、内輪11の落ち量が大きい場合と比較して容易に加工できる。
ただし、図6(d)のように砥石100をころ13の端部に寄せすぎた場合は、ころ13の転動面13aから砥石100が外れて砥石100が戻れなくなってしまい、砥石割れや機械が損傷してしまうので、砥石100が外れない程度の余裕が必要である。
加工コストを考えた場合には、落ち量が大きいと、内輪11と同様に、管理が複雑になるので、落ち量は小さい方が良いが、内輪11と比較すると容易に端部に寄せる事ができる分、ころ13の落ち量が内輪11より大きくても加工しやすい。
そこで、本実施形態では、円すいころ軸受10のころ13または内輪11のいずれか単独で対数クラウニングを実現するのではなく、図4に示すように、コストと加工性を考慮して、ころクラウニングと内輪クラウニングのそれぞれの落ち量を合せると、対数クラウニングになるようにし、かつ、有効接触長さLeの両側端部において、内輪軌道面11aにおけるクラウニング落ち量は、ころ13の転動面13aにおけるクラウニング落ち量よりも小さくしている。
また、本実施形態では、ころ13と内輪11の落ち量の総和δで対数クラウニングを実現する場合、ころ13の落ち量が少なくなっているので、当然のことならが外輪12にもクラウニングをつけないと、外輪12の落ち量が不足して、外輪12が短寿命となる事が容易に予想できる。
そこで、外輪12のクラウニングも、内輪11と同様に、ころ13と外輪12で対数クラウニングとした場合を考えると、図2に示すように、円周上での接触状態は、内輪11ところ13は凸凸の関係であるが、外輪12ところ13は凹凸の関係にある。このため、同じクラウニング落ち量では外輪12の方が低面圧となる事が想定される。
上述したように、クラウニングの落ち量は小さいほうが加工しやすいので、コストを重視して外輪12のクラウニングを省略、あるいは内輪11より落ち量の小さいクラウニングを外輪12につける事(クラウニング落ち量:内輪>外輪)で、加工コストを抑える事ができる。
なお、外輪12については、クラウニングをつけずに直線形状であってもよい。
また、ころ13、内輪11、及び外輪12のクラウニングの中央部付近の落ち量は小さく、直線形状とほとんど差がない。したがって、ころ13、内輪11、及び外輪12の少なくとも一つのクラウニングの中央部を直線形状としてもよい。
以上説明したように、本実施形態の円すいころ軸受10によれば、内輪11の両端部に鍔部11b、11cが設けられ、ころ13の転動面13aと内輪11の軌道面11aのいずれにもクラウニングが形成され、母線方向の有効接触長さLeの両側端部において、内輪11の軌道面11aにおけるクラウニング落ち量は、ころ13の転動面13aにおけるクラウニング落ち量よりも小さく設定される。これにより、鍔部11b、11cがあることで端部に砥石100を寄せることができない内輪11のクラウニング落ち量を、ころ13のクラウニング落ち量より小さくすることで、設備改造やサイクルタイムの増加によるコストアップを抑え、ころ13の転動面13a及び内輪11の軌道面11aを容易に仕上げ加工することができる。
また、本実施形態では、ころ13の転動面13aと内輪11の軌道面11aのクラウニング落ち量の総和δによって、上記式(i)の対数クラウニングを実現するようにしたので、加工コストを抑えつつ、軸受の長寿命を実現することができる。
上記実施形態では、コストアップを極力抑えるために、母線方向の有効接触長さLeの両側端部において、内輪11の軌道面11aにおけるクラウニング落ち量が、ころ13の転動面13aにおけるクラウニング落ち量よりも小さく設定されると説明した。しかしながら、コストアップを抑える観点で、本発明は、少なくとも母線方向の有効接触長さLeの片側端部において、内輪11の軌道面11aにおけるクラウニング落ち量が、ころ13の転動面13aにおけるクラウニング落ち量よりも小さく設定されればよい。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る円すいころ軸受について、図7を参照して説明する。なお、本実施形態では、内輪、外輪の軌道面ところの転動面のクラウニング形状において第1実施形態のものと異なる。その他の構成については、第1実施形態のものと同様である。
即ち、本実施形態では、内輪11の軌道面11aは、第1実施形態の単一円弧クラウニングの代わりに、図7に示すような、落ち量の小さな対数クラウニングとしている。また、この場合も、ころ13の転動面13aは、上述した式(i)で与えられる対数クラウニングの総和δから、上記内輪軌道面11aの対数クラウニングの落ち量を引いたクラウニング形状としている。
また、この場合には、内輪クラウニングは、母線方向の有効接触長さLe全域に亘って、内輪11の軌道面11aにおけるクラウニング落ち量は、ころ13の転動面13aにおけるクラウニング落ち量よりも小さい。
なお、外輪12の軌道面12aも、第1実施形態と同様に、クラウニング形状又は直線形状が形成される。
したがって、本実施形態においても、鍔部がある事で軌道面の端部に砥石100を寄せる事ができない内輪11の落ち量を、ころの落ち量より小さくする事で、設備改造やサイクルタイム増加を抑え、高コストとならずに、容易にころ13の転動面13a及び内輪軌道面11aの仕上げ加工が可能となる。
その他の構成及び作用については、第1実施形態のものと同様である。
尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、円すいころ軸受10としては、上記実施形態のように、内輪11の両端部に鍔部11b、11cを設けてもよいが、片側端部のみに鍔部を設けてもよく、例えば、図8に示す円すいころ軸受10aのように、内輪11は、大径鍔部11cのみを有する構成であってもよい。特に、この場合には、少なくとも大径鍔部11cを有する側である有効接触長さLeの片側端部において、内輪11の軌道面11aにおけるクラウニング落ち量は、ころ13の転動面13aにおけるクラウニング落ち量よりも小さく設定される。
また、上記実施形態は、円すいころ軸受について説明したが、本発明は、同様の課題が存在する円筒ころ軸受にも適用可能である。即ち、例えば、図9に示す円筒ころ軸受10bにおいても、内輪11及び外輪12と、内輪11及び外輪12の軌道面11a、12a間に転動自在に配置される複数のころ13と、複数のころ13を円周方向に所定の間隔で保持する保持器14と、を備える。また、図9では、内輪11の片側端部に鍔部11cが設けられているが、鍔部は、内輪11の両端部に設けられてもよい。
このような円筒ころ軸受においても、ころ13の転動面13aと内輪11の軌道面11aのいずれにも形成されるクラウニングは、上述した円すいころ軸受と同様に構成することができ、該円すいころ軸受と同様の効果を奏することができる。
即ち、本発明は、内輪及び外輪と、前記内輪及び前記外輪の軌道面間に転動自在に配置されるころと、を備え、前記内輪の片側端部若しくは両端部に鍔部が設けられ、前記ころの転動面と前記内輪の軌道面のいずれにもクラウニングが形成される円筒ころ軸受であって、少なくとも前記ころの転動面と前記内輪の軌道面の母線方向の有効接触長さLeの片側端部において、前記内輪の軌道面におけるクラウニング落ち量は、前記ころの転動面におけるクラウニング落ち量よりも小さい。
また、前記ころの転動面と前記内輪の軌道面の母線方向の有効接触長さLeの範囲内のうち、それぞれの前記母線方向の少なくとも2箇所において、前記ころの転動面と前記内輪の軌道面のクラウニングの総和が下記式(i)の対数クラウニングとなる。
Figure 2018190134
但し、
δ:接触二物体(ころと内輪軌道面)の、母線方向位置Xにおけるクラウニング落ち量の総和
w:接触荷重
Le:母線方向の有効接触長さ
E1,E2:接触二物体(ころと内輪)のヤング率
ν1,ν2:接触二物体(ころと内輪)のポアッソン比
b:ヘルツ接触幅の1/2
これにより、ころの転動面と内輪の軌道面の母線方向の有効接触長さLeにおけるクラウニング落ち量の総和によって対数クラウニングを実現する一方、鍔部があることで軌道面の端部に砥石を寄せることができない内輪のクラウニング落ち量を、ころのクラウニング落ち量より小さくすることで、設備改造やサイクルタイムの増加によるコストアップを抑え、ころの転動面及び内輪の軌道面を容易に仕上げ加工可能である。
また、本発明の円筒ころ軸受は、上記実施形態の円すいころ軸受と同様に、前記ころ、前記内輪、及び前記外輪の少なくとも1つのクラウニングの中央部は、直線形状であってもよい。
さらに、本発明の円筒ころ軸受は、第1実施形態の円すいころ軸受と同様に、前記外輪の軌道面におけるクラウニング落ち量は、前記内輪の軌道面におけるクラウニング落ち量よりも小さくしてもよい。
また、本発明の円筒ころ軸受において、内輪の軌道面のクラウニング形状は、第1及び第2実施形態の円すいころ軸受と同様に、単一円弧クラウニングでも対数クラウニングでもよい。
本出願は、2017年4月12日出願の日本特許出願2017−79212に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
10,10a 円すいころ軸受
10b 円筒ころ軸受
11 内輪
11a 内輪軌道面
11b 小径鍔部(鍔部)
11c 大径鍔部(鍔部)
12 外輪
12a 外輪軌道面
13 円すいころ(ころ)
13a 転動面
100 砥石

Claims (4)

  1. 内輪及び外輪と、前記内輪及び前記外輪の軌道面間に転動自在に配置されるころと、を備え、前記内輪の片側端部若しくは両端部に鍔部が設けられ、前記ころの転動面と前記内輪の軌道面のいずれにもクラウニングが形成され、
    少なくとも前記ころの転動面と前記内輪の軌道面の母線方向の有効接触長さLeの片側端部において、前記内輪の軌道面におけるクラウニング落ち量は、前記ころの転動面におけるクラウニング落ち量よりも小さいことを特徴とする円すいころ軸受。
  2. 前記ころの転動面と前記内輪の軌道面の母線方向の有効接触長さLeの範囲内のうち、それぞれの前記母線方向の少なくとも2箇所において、前記ころの転動面と前記内輪の軌道面のクラウニングの総和が下記式(i)の対数クラウニングとなることを特徴とする請求項1に記載の円すいころ軸受。
    Figure 2018190134

    但し、
    δ:接触二物体(ころと内輪軌道面)の、母線方向位置Xにおけるクラウニング落ち量の総和
    w:接触荷重
    Le:母線方向の有効接触長さ
    E1,E2:接触二物体(ころと内輪)のヤング率
    ν1,ν2:接触二物体(ころと内輪)のポアッソン比
    b:ヘルツ接触幅の1/2
  3. 前記ころ、前記内輪、及び前記外輪の少なくとも1つのクラウニングの中央部は、直線形状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の円すいころ軸受。
  4. 前記外輪の軌道面におけるクラウニング落ち量は、前記内輪の軌道面におけるクラウニング落ち量よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の円すいころ軸受。


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